Dátové centrá bez medi: energia, optické vlákno a budúcnosť digitálnej infraštruktúry

Informatec Digital » Zdroje » Dátové centrá bez medi: energia, optické vlákno a budúcnosť digitálnej infraštruktúry

V tejto súvislosti sa tzv. „dátové centrá bez medi“ a architektúry, ktoré minimalizujú používanie medi, javia ako účinný spôsob, ako dosiahnuť efektívnosť, flexibilitu a udržateľnosť: viac optických vlákien, riešenia napájania cez optické vlákno , modulárny rozvod elektrickej energie a návrhy, ktoré maximalizujú využitie každého wattu a každého metra kábla.

Nekontrolovateľný dopyt po dátach, umelej inteligencii a energii

Globálny objem informácií neustále rastie: odhaduje sa, že v roku 2025 sa na celom svete vytvorí a spotrebuje približne 181 zettabajtov dát , čo je takmer trojnásobok množstva na začiatku desaťročia. Tento nárast si vyžaduje oveľa lepšiu škálovateľnosť dátových centier, ktoré sú schopné zvyšovať výpočtovú a úložnú kapacitu takmer za chodu.

Za týmto skokom stojí najmä vzostup cloudových výpočtov a vysokovýkonnej umelej inteligencie . Rozsiahle jazykové modely, pokročilá analytika, služby 5G a aplikácie v reálnom čase zvyšujú nároky na šírku pásma, znižujú prijateľné latencie a dramaticky zvyšujú energetické nároky infraštruktúry.

Podľa predpovedí agentúry BloombergNEF by sa dopyt po elektrine súvisiaci s výpočtovou technikou s využitím umelej inteligencie v Spojených štátoch mohol do roku 2035 viac ako zdvojnásobiť. Vedúci pracovníci ako Jensen Huang (Nvidia) a Sam Altman (OpenAI) už dlho varujú, že na podporu tejto novej vlny dátových centier a komplexov umelej inteligencie budú potrebné bilióny dolárov na novú infraštruktúru.

Úzkym hrdlom však už nie je ani tak priestor alebo serverová technológia, ako skôr dodávka elektriny a kapacita prenosových sietí . Prenosová infraštruktúra je na mnohých trhoch zastaraná, regulačné procesy sú pomalé a lehoty na pripojenie nových megawattov do siete sa naťahujú roky.

Prípad Santa Clary: dokončené budovy, ktoré sa nedajú osvetliť

Situácia v niektorých technologických centrách je taká zúfalá, že existujú dokončené dátové centrá, pripravené na prevádzku, ktoré stoja roky prázdne a čakajú na elektrinu. Presne to sa deje v Santa Clare v Kalifornii, rodnom meste spoločnosti Nvidia a jednom zo svetových výpočtových epicentier.

Spoločnosť Digital Realty, jeden z najväčších svetových developerov dátových centier, požiadala v roku 2019 o povolenie na výstavbu nového zariadenia v Santa Clare. Približne o šesť rokov neskôr zostáva štvorposchodová budova s ​​rozlohou približne 40 000 metrov štvorcových prázdna a čaká na plné napájanie od mestskej energetickej spoločnosti Silicon Valley Power (SVP).

Podobná situácia panuje aj v prípade spoločnosti Stack Infrastructure (v súčasnosti vo vlastníctve spoločnosti Blue Owl Capital), ktorej neďaleký projekt s kritickou kapacitou až 48 megawattov je tiež pozastavený . Obaja developeri sú závislí od toho, či spoločnosť SVP dokončí modernizáciu svojho elektrického systému v hodnote približne 450 miliónov dolárov s cieľom dokončiť ju okolo roku 2028.

Medzitým má Santa Clara už viac ako päťdesiat dátových centier v prevádzke alebo vo výstavbe , čo odráža rozsah, v akom miestny dopyt po digitálnej kapacite prevyšuje rastúcu kapacitu elektrickej siete. V takomto prostredí sa počíta každý watt a akákoľvek technológia, ktorá umožňuje úsporu energie alebo znižuje straty v kabeláži a distribúcii, sa stáva kľúčovou.

Problém nie je špecifický len pre Kaliforniu: v severnej Virgínii, v slávnej „uličke dátových centier“, ktorú obsluhuje spoločnosť Dominion Energy, sa hlásia čakacie doby jeden až tri roky – a v niektorých prípadoch až sedem – na pripojenie veľkých dátových centier . V Oregone sa spoločnosť Amazon sťažovala na nedostatočný výkon pre niekoľko projektov, čo ilustruje rastúce napätie medzi prevádzkovateľmi a dodávateľmi energií.

Čo sa deje s kabelážou v dátovom centre?

Popri problémoch s napájaním prechádza transformáciou aj vnútorný dizajn dátových centier: medené káble zaostávajú za riešeniami založenými na optických vláknach , najmä preto, že prenosové rýchlosti prudko rastú.

Len za pár rokov sme sa dostali zo štandardu 40 Gb/s na 100 Gb/s a pripojenia s rýchlosťou 400 Gb/s sa stávajú bežnými vo vysokovýkonných nasadeniach. Hneď za rohom priemysel plánuje skoky na 800 Gb/s a dokonca 1,6 Tb/s , v súlade s plánom pre Ethernet stanoveným organizáciou IEEE. Udržiavanie týchto rýchlostí pomocou medi sa stáva čoraz zložitejším, drahším a energeticky náročnejším.

Dnes sa optické vlákna stali štandardom prakticky v celej sieti dátových centier, od agregačnej vrstvy až po jadrovú vrstvu, ako aj medzi miestnosťami a budovami. Poslednou baštou medi sú krátke spojenia medzi prepínačmi a servermi v racku alebo bezprostrednej oblasti , kde sa na veľmi krátke vzdialenosti a stredné rýchlosti stále používajú krútené dvojlinky alebo DAC.

Už roky sa predpovedá zánik medi v dátových centrách a hoci sa jej podarilo vydržať dlhšie, ako mnohí očakávali, kombinácia obmedzení vzdialenosti, neustále rastúcich potrieb energie a tlaku na navrhovanie energeticky úsporných dátových centier tlačí na nový bod zlomu.

Spotreba energie: Achillova päta medi

Jedným z najväčších problémov s medenými káblami vo vysokorýchlostných prostrediach je ich výrazne vyššia spotreba energie v porovnaní s optickými vláknami . Nad 10 Gb/s sa krútené páry (UTP/STP) prakticky vytratili z kritických prostredí kvôli obmedzeniam v oblasti dizajnu a účinnosti.

V medenom vedení musí každý koniec napájať elektrickú signalizáciu kanála . 10G medené transceivery zvyčajne spotrebujú približne 3 – 5 wattov. Môže sa to zdať nevýznamné, ale keď sa to vynásobí tisíckami portov, vplyv na energetickú spotrebu a chladenie dátového centra sa stáva enormným.

V porovnaní s tým medené moduly spotrebujú takmer desaťkrát viac energie ako mnohé ekvivalentné multimódové optické transceivery . K tomu sa pridávajú nepriame náklady na rozptyl generovaného tepla, čo si vyžaduje predimenzovanie klimatizačných a tepelných systémov, čo ďalej zvyšuje prevádzkové náklady.

Ak sa zohľadnia náklady na kompenzáciu dodatočného tepla, prevádzkové náklady spojené s meďou môžu ľahko zdvojnásobiť náklady na infraštruktúru založenú na optických vláknach . V prostredí, kde sú energetické marže čoraz prísnejšie a regulačný tlak na efektívnosť rastie, je tento rozdiel kritický.

Strata signálu a obmedzenia vzdialenosti medených káblov

Ďalším hlavným obmedzením medi je strata signálu so zvyšujúcou sa rýchlosťou a vzdialenosťou . Elektrické signály trpia útlmom a sú obmedzené schopnosťami ASIC a kompenzačnými technikami potrebnými na udržanie integrity signálu pozdĺž spoja.

Pri veľmi vysokých rýchlostiach je na prenos aj krátkych vzdialeností pri použití medi potrebný výrazne vyšší výkon , čo je v úplnom rozpore s cieľom znížiť spotrebu energie. Dokonca aj káble DAC s krátkym dosahom začínajú vykazovať tieto obmedzenia, čo komplikuje návrhy, ktoré boli predtým relatívne jednoduché.

Rastúca kapacita prepínačov je tiež prevratnou. Dnes dokáže jeden 1U prepínač obslúžiť viacero serverových rackov . Pri rýchlostiach, ktoré vyžadujú moderné aplikácie, už medené káble nedokážu pokryť všetky tieto vzdialenosti, a to ani v relatívne kompaktných chodbách, bez nadmerného vplyvu na spotrebu energie.

Preto mnohí operátori opúšťajú klasický model „top-of-rack“ založený na krátkych medených linkách a prijímajú návrhy s agregačnými prepínačmi v pozíciách „middle-of-row“ alebo „end-of-row“, podporované štruktúrovanou kabelážou, väčšinou optickými vláknami. To znižuje zložitosť, zlepšuje škálovateľnosť a pomáha optimalizovať signálové cesty a spotrebu energie.

Smerom k interným sieťam zameraným na 800G a 1,6T

Plán prechodu na ethernetové technológie s priepustnosťou 800G a rýchlosťou 1,6T nie je vzdialenou ambíciou, ale praktickou nevyhnutnosťou v reakcii na explóziu šírky pásma, zníženie latencie a vzostup umelej inteligencie, internetu vecí a masívnej virtualizácie . Poskytovatelia hyperscale už pripravujú svoje infraštruktúry s ohľadom na tieto pokroky.

V tejto súvislosti ponúka štruktúrovaná optická kabeláž jasnú cestu vpred. Architektúry založené na 16-vláknových infraštruktúrach umožňujú riadené škálovanie na tieto vysoké rýchlosti, efektívne využívajú dostupnú šírku pásma a uľahčujú agregáciu a deagregáciu liniek.

Dobre naplánovaný 16-vláknový dizajn môže napríklad umožniť jednému vysokokapacitnému prepínaču obsluhovať približne 192 serverov , čo uľahčuje úlohy, ako je nastavenie a správa servera , s výrazným zlepšením z hľadiska latencie, využitia portov a celkových nákladov na prenesený bit.

Špecializovaní výrobcovia naznačujú, že mnohé veľké podnikové a verejné cloudové dátové centrá dosiahli bod zlomu, kde je investovanie do optických vlákien „až na server“ najracionálnejšou možnosťou . Zameriavajú sa na hyperškálovateľné prostredia a dospeli k záveru, že replikácia týchto stratégií vo vlastnom meradle je jediný spôsob, ako sa vyhnúť zaostávaniu.

To neznamená, že meď úplne zmizne: stále budú existovať oblasti s nízkou šírkou pásma a veľmi krátkymi vzdialenosťami , kde cenový rozdiel odôvodňuje jej použitie, najmä v malých dátových centrách alebo menej náročných scenároch. Jej význam sa však znižuje a jej použitie sa stáva čoraz špecifickejším.

Úloha vlákien v Latinskej Amerike a na ďalších rozvíjajúcich sa trhoch

Prechod na riešenia s dominanciou optických vlákien sa neobmedzuje len na hlavné severoamerické alebo európske uzly. V Latinskej Amerike rýchlo rastie využívanie optických vlákien , čo kladie základy pre modernejšie a efektívnejšie siete dátových centier.

Nedávne údaje OECD ukazujú, že krajiny ako Kostarika zaznamenali za jeden rok nárast nasadenia optických vlákien o takmer 74 % , zatiaľ čo Kolumbia a Mexiko zaznamenali v rovnakom analyzovanom období nárast o 43 %, respektíve 36 %.

Tento skok neznamená, že meď bude zo dňa na deň vylúčená z rovnice, ale odráža jasný posun investícií smerom k optickej infraštruktúre , najmä v tých segmentoch siete, kde sú výhody v vzdialenosti, kapacite a spotrebe najzreteľnejšie.

V praxi vidíme hybridný ekosystém, kde je optické vlákno vyhradené pre chrbticové spojenia, agregáciu a kritické segmenty siete , zatiaľ čo meď sa opätovne využíva vo vysoko lokalizovaných scenároch. S poklesom nákladov na optické vlákno a zlepšením riešení typu „plug-and-play“ ekonomický argument pre ďalšie rozširovanie medenej infraštruktúry slabne.

Flexibilita: kľúčové slovo v infraštruktúre dátových centier

Okrem typu kábla sa v moderných dizajnoch najčastejšie opakuje slovo „flexibilita “. Vzhľadom na meniace sa pracovné zaťaženie, rýchlo sa vyvíjajúce technológie a čoraz nestálejšie nároky na energiu sa musia dátové centrá dokázať prispôsobiť bez dlhodobých odstávok alebo rozsiahlych stavebných projektov.

Z elektrického hľadiska je kontinuita dodávok kritická: akékoľvek prerušenie dodávok môže viesť k strate údajov, nákladným výpadkom služieb a poškodeniu reputácie . Preto sú spoľahlivosť, redundancia a odolnosť základnými piliermi pri navrhovaní elektrických distribučných systémov.

Zároveň prevádzkovatelia čelia rastúcemu tlaku na zníženie svojej uhlíkovej stopy a zlepšenie energetickej účinnosti . Podľa Medzinárodnej energetickej agentúry dátové centrá a komunikačné siete už teraz predstavujú 2 % až 3 % celosvetovej spotreby elektriny a približne 1 % emisií skleníkových plynov.

Hoci sa odhady líšia, všetko naznačujú, že toto číslo sa v nasledujúcich rokoch zvýši, ak sa neprijmú rozhodné optimalizačné opatrenia . V tomto scenári je kľúčovou konkurenčnou výhodou infraštruktúra, ktorá umožňuje rekonfiguráciu záťaže, zvýšenie kapacity alebo integráciu nových technológií bez prestavby polovice budovy.

Kľúčové opatrenia pre flexibilné dátové centrum

Na dosiahnutie tejto flexibility sa prevádzkovatelia dátových centier spoliehajú na niekoľko doplnkových stratégií, ktoré ovplyvňujú hardvérovú aj riadiacu a prevádzkovú vrstvu. Medzi najvýznamnejšie patrí modulárny dizajn, pokročilá automatizácia, nepretržité monitorovanie a decentralizovaná distribúcia energie.

Po prvé, modulárny dizajn a infraštruktúra umožňujú rozširovanie alebo rekonfiguráciu priestorov dátových centier s minimálnym prevádzkovým vplyvom . Modulárne miestnosti, prefabrikované racky, zapuzdrené teplé a studené uličky a vopred zmontované riešenia uľahčujú rýchle migrácie a znižujú riziká.

Ústrednú úlohu zohrávajú aj automatizácia a orchestrácia: inteligentné nástroje na správu zdrojov umožňujú vyvažovanie záťaže, vyvažovanie prevádzky, optimalizované využitie servera a podporu pre špičkovú záťaž v reálnom čase s menším manuálnym zásahom a menšou mierou ľudskej chyby.

Riešenia monitorovania a analytiky v reálnom čase navyše poskytujú prehľad o spotrebe energie, teplotách, využití portov a ďalších kľúčových parametroch. Na tieto údaje je potom možné použiť prediktívne analytické algoritmy, ktoré pomôžu predvídať poruchy, odhaliť neefektívnosť a presnejšie plánovať rozšírenia.

Napokon, myšlienka decentralizovanej elektrickej distribúcie založenej na prefabrikovaných elektrických rozvodoch naberá na sile , čo prináša energiu bližšie k miestu, kde je potrebná, znižuje straty a uľahčuje jej rozširovanie do modulov bez prerušenia dodávok alebo väčších vnútorných prác.

Decentralizované elektrické rozvody a prefabrikované potrubia

Tradičný, vysoko centralizovaný rozvod elektrickej energie sa môže vo veľkých IT miestnostiach stať nepružným a neefektívnym. Decentralizáciou časti tohto rozvodu a priblížením bodov dodávky energie k záťažiam sa dosahuje niekoľko výhod relevantných pre každodennú prevádzku.

Jednou z prvých výhod je zníženie strát pri prenose . Ak sú elektrické vedenia kratšie a lepšie prispôsobené skutočnej spotrebe, každý dodaný watt sa využíva efektívnejšie a znižujú sa úbytky napätia a ohrev vodičov.

Zlepšuje tiež spoľahlivosť: decentralizovaná architektúra minimalizuje dopad jediného zlyhania . Namiesto toho, aby jeden kritický bod odstavil veľkú oblasť, sú incidenty obmedzené na menšie sekcie, čo uľahčuje redundanciu a údržbu bez ovplyvnenia celého dátového centra.

Z hľadiska škálovateľnosti umožňujú prefabrikované elektrické rozvody pridávanie napájacích modulov alebo nových vetiev prakticky „za chodu “, pričom časy inštalácie sú výrazne kratšie ako pri tradičných káblových riešeniach. To sa premieta do väčšej flexibility pri začleňovaní nových stojanov alebo prispôsobovaní hustoty zaťaženia.

Okrem toho, vďaka možnosti strategického umiestnenia elektrických rozvodných prvkov v miestnosti získate slobodu efektívnejšie navrhovať chodby, prúdenie vzduchu a trasy dátovej kabeláže, čo je obzvlášť dôležité v prostrediach s vysokou hustotou obyvateľstva, kde sa počíta každý centimeter.

Príklad riešenia: Usporiadanie zbernicového kanála I-Line Track

Dobrým príkladom tohto prístupu sú prefabrikované riešenia elektrických rozvodov typu Busway , ako napríklad I-Line Track Busway , špeciálne navrhnuté pre IT miestnosti a moderné dátové centrá. Ide o robustné, modulárne systémy navrhnuté tak, aby ponúkali bezpečnosť, flexibilitu a efektívnosť.

Napríklad káblovod I-Line Track Busway je certifikovaný podľa normy IEC 61439-6 a používa meď s veľmi vysokou čistotou , okolo 99,9 %, čo má za následok vodivosť presahujúcu 98 %. Táto úroveň kvality vodiča je kľúčom k minimalizácii strát a zabezpečeniu stabilného dodávania energie.

Medzi jeho vlastnosti patrí zásuvný systém pre rýchle pripojenie rozvodných krabíc , ktorý umožňuje pripojenie odbočných obvodov v priebehu niekoľkých sekúnd vďaka flexibilným svorkám zabezpečujúcim optimálny elektrický kontakt. To drasticky skracuje čas inštalácie a znižuje možnosť chýb pri pripojení.

Zahŕňa tiež kotvy typu Easy Lock, ocenené riešenie pre pevné upevnenie krabíc k potrubiu , ako aj spojovacie bloky, ktoré zaručujú spoľahlivé elektromechanické spojenie medzi sekciami, s upevňovacími systémami navrhnutými pre rýchlu montáž vo výrobnom prostredí.

Hliníkový kryt obsahuje sloty, ktoré môžu pojať ďalšie komunikačné zbernice alebo dokonca optické káble , napríklad pre nepretržité tepelné monitorovanie samotného potrubia. Okrem toho monitorovacie systémy koncových staníc umožňujú kontrolu spotreby energie, úrovne zaťaženia a alarmov, čím poskytujú ďalšiu vrstvu prehľadu a zabezpečenia.

Nakoniec, rozvodné krabice zvyčajne ponúkajú dostatočnú kapacitu na umiestnenie ochranných zariadení, signalizačných zariadení a elektrických zásuviek a sú navrhnuté tak, aby sa dali inštalovať a odstraňovať s maximálnou bezpečnosťou, čo výrazne uľahčuje údržbu a rozširovanie bez ohrozenia prevádzky.

Dátové a energetické spojenia bez medi: stávka na energiu namiesto optických vlákien

Okrem nahradenia medi optickými vláknami v prenose dát idú niektorí výrobcovia ešte o krok ďalej s riešeniami, ktoré eliminujú meď dokonca aj z napájania určitých zariadení , najmä v kritických synchronizačných a signalizačných aplikáciách.

Výrazným príkladom je spoločnosť HUBER+SUHNER, ktorá vyvinula úplne bezmedzné dátové a energetické prepojenie ako súčasť svojho riešenia globálneho navigačného satelitného systému (GNSS) a technológie napájania cez optické vlákno. Tieto typy systémov sú obzvlášť zaujímavé pre dátové centrá a prostredia 5G, ktoré vyžadujú mimoriadne presnú synchronizáciu času.

Tradične boli antény GNSS napájané medenými káblami, ktoré prenášali energiu aj signál , často s ďalším vyhradeným káblom len pre napájanie. To komplikuje fyzické nasadenie, zvyšuje hmotnosť káblov a obmedzuje prevádzkové vzdialenosti.

Riešenie napájania GNSS cez optické vlákno od spoločnosti HUBER+SUHNER eliminuje potrebu samostatného napájacieho kábla tým, že na súčasný prenos signálu a napájania do antény využíva samotné optické vlákno . To zjednodušuje inštaláciu, skracuje čas nasadenia a minimalizuje závislosť od napájacích kanálov v ťažko dostupných stropoch alebo výklenkoch.

Jednou z hlavných výhod tohto prístupu je, že zvyšuje možnú vzdialenosť medzi vysielačom a prijímačom z niekoľkých metrov na niekoľko kilometrov bez degradácie signálu a obmedzení, ktoré spôsobuje meď. To umožňuje oveľa väčšiu flexibilitu pri distribúcii signálov GNSS prostredníctvom vnútornej infraštruktúry optických vlákien budovy alebo kampusu.

Výhody GNSS a napájania cez optické vlákno v dátových centrách

Satelitné signály sa len zriedka dostanú do vysoko izolovaných vnútorných priestorov, ako sú napríklad miestnosti dátových centier , s dostatočnou silou vďaka tieneniu, ktoré poskytuje samotná konštrukcia budovy. Kombináciou vonkajšieho príjmu GNSS s vnútorným rozvodom optických vlákien je možné doručiť presné časové referencie do oblastí, kde sú skutočne potrebné.

Táto kombinácia umožňuje bezpečnú, spoľahlivú a robustnú distribúciu signálov GNSS v celej budove, čím sa zlepšuje synchronizácia sieťových zariadení, telekomunikačných systémov a aplikácií, ktoré závisia od veľmi krátkych referenčných časov.

Použitím optického kábla ako média na distribúciu energie a signálu sa dosahuje prakticky neobmedzená časová referenčná vzdialenosť s menšou náchylnosťou na elektromagnetické rušenie . Na rozdiel od medi, optický kábel nefunguje ako šumová anténa, čím sa zlepšuje kvalita distribuovaných signálov.

Pre poskytovateľov a prevádzkovateľov to znamená možnosť využiť existujúcu optickú infraštruktúru , platiť iba za skutočne použitú kapacitu a ponechať priestor pre budúce rozšírenie bez nutnosti prepojovania od začiatku. Je to jednoznačne stratégia „pripravená na budúcnosť“, ktorá dobre zapadá do filozofie modulárnych a škálovateľných dátových centier.

Z prevádzkového hľadiska sa vďaka vyhnutiu sa dodatočným medeným káblom a použitiu rovnakej optickej trasy pre napájanie a signál znižujú náklady na inštaláciu, časy nasadenia a potenciálne body poruchy , čo je veľmi cenené v prostrediach s minimálnymi časovými intervalmi údržby.

Celý tento súbor trendov – migrácia z medi na optické vlákno, decentralizácia distribúcie energie, zavádzanie prefabrikovaných káblovodov a vznik bezmedených napájacích spojení, ako je napríklad power-over-fiber – tlačí dátové centrá smerom k efektívnejším, odolnejším a škálovateľnejším architektúram . Tí, ktorí dokážu efektívne skombinovať tieto prvky, budú mať lepšiu pozíciu na to, aby odolali explozívnemu rastu dopytu po dátach, splnili ciele udržateľnosti a prispôsobili sa ďalším technologickým vlnám bez toho, aby museli zakaždým začínať od nuly.